继旋式局部起旋装置流场特性试验研究

摘要

在管道输送中，流速与水流携带固粒的能力是密切相关的。既要低流速，又要高浓度，这在传统的直流式输移方式中是互相矛盾的，是不可能实现的。因此应考虑把输送与悬浮这两种作用分开。圆管螺旋流的流速可分解为轴向与切向流速，即轴向平直流与强制涡流的合成。螺旋流输送原理就是用纵向流速度承担输移任务，而涡流承担悬浮作用，从而使重载而缓行的输移方式成为可能。按水流边界改变的位置，圆管螺旋流起旋方式可分为两类：一类为局部起旋，另一类为沿程起旋。因水流具有粘滞作用以及壁面的摩擦作用，强制涡流在轴向输移过程中，最终将会由圆管螺旋流衰变为平直流。因此为了维持旋流状态，必须在管道中设置一种特殊的装置使水流继续起旋，它就是继旋器。继旋器本身是也一种管路上的局部连续起旋装置。它可使发生能量损失的螺旋水流在其作用下继续旋转，从而使水流的起旋效果维持、甚至增强，达到螺旋流的输送物料的目的。 本文在模型试验的基础之上，通过对局部起旋方式下的水平圆管螺旋流的流场特性进行分析，确定了继旋器的结构参数。通过对继旋器后的流场测试数据和数值模拟结果的分析比较，得出了继旋器对水流的作用，为继旋器的工业应用提供了参考。本文的主要研究内容如下： 1.针对轴对称螺旋流的特点进行理论分析，在引入合理的量级和坐标变换下，从速度和压强为自变量的微分方程——Navier—Stokes方程出发，考虑水流紊动效应的影响，对Navier-Stokes进行必要的简化，建立了定常条件下的继旋式局部起旋装置下的紊流模式的数学模型。 2.对数学模型进行求解过程中采取了计算水力学理论中对N-S方程求解比较完善的SIMPLE算法。在网格划分上采用了移动式(即非固定式)的交错网格差分法，使得对计算区域内的流场的计算具有一定的方便性。采用数值计算方法中常用到的Gauss-Seidel迭代方法，避免进行复杂的矩阵运算，简化了整个计算过程。 3.在物理模型试验中，对继旋器上游、下游得流场进行测试。通过对原流场(没加继旋器)与加了继旋器的流场进行比较，验证了继旋器对下游水流的继续起旋以及对上游水流的预旋作用。 4.对物理模型得到的数据进行分析研究。得到了继旋式局部起旋装置下的流场特点特性，并与数值模拟的结果相吻合。轴向流速分布由平直流的对数分布逐渐向圆管螺旋流下的类对数分布过渡，沿着管轴向下游发展；轴向速度的分布形式为轴向动量主要集中在靠管中心处，在管壁处具有最小值，轴向速度呈轴线处单峰型分布。周向流速分布在断面具有对称性，若不考虑管道边壁区域，可以认为周向流速在断面成线性分布；旋流的强弱可以由周向速度拟合直线的斜率的绝对值来衡量。压强分布呈现中心低、边壁高的特点；压力沿径向分布呈单调递增趋势；随着螺旋流的沿程衰减，径向压差减小。径向速度分量与周向、轴向速度分量相比极小，可以忽略。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1河道、水库泥沙的危害与防治

1.2管道水力输送的研究和进展

1.3螺旋流的研究和应用概况

1.3.1螺旋流的工业应用概况

1.3.2螺旋流的排沙应用研究

1.4本文的研究内容和方法

第二章局部起旋式圆管螺旋流的特性及起旋方式

2.1局部起旋式圆管螺旋流的输固基本特性

2.1.1局部起旋式圆管螺旋流输固的运动学特性

2.1.2局部起旋式圆管螺旋流输固的动力学特性

2.2局部起旋式圆管螺旋流的起旋

2.2.1起旋方式

2.2.2起旋装置

2.3局部起旋式圆管螺旋流继旋器

2.3.1局部起旋式圆管螺旋流继旋器

2.3.2继旋器的结构参数

第三章局部起旋式圆管螺旋流模型试验研究

3.1试验目的及试验布置

3.1.1水泵与管道

3.1.2集水箱与稳压塔

3.2起旋装置

3.2.1继旋器的安放位置

3.2.2继旋器的起始角度

3.2.3继旋器其它参数的取定

3.3测量设备

3.3.1流量计

3.3.2测压管

3.3.3微压计

3.3.4五孔球形探针

3.4测点布置以及测量步骤

3.5试验结果

3.5.1继旋器对旋转流场之前的影响

3.5.2继旋器对旋转流场之后的影响

第四章数值模拟

4.1数学模型的建立

4.1.1基本方程组

4.2模型的求解

4.2.1方程的离散

4.2.2差分方程的求解

4.3程序框图

第五章数值模拟结果分析

5.1计算结果与试验结果的比较

第六章结论与建议

6.1结论

6.2建议

参考文献

附图：程序框图

附表螺旋流清水特性试验方案

致谢

攻读硕士期间发表的论文及参加的科研项目